Anonim

Как быстро определить бактерии, вызывающие сепсис, - расплавить

медицинская

Лиза-Энн Ли

14 февраля 2017

Стефани Фрэйли (слева) просматривает данные кривой плавления бактериальной ДНК со своими аспирантами (Фото: UCSD)

Когда пациенту ставят диагноз сепсис, медицинский синдром, который убивает больше людей, чем рак молочной железы, рак простаты и ВИЧ вместе взятые, он начинает отсчет времени для врачей, чтобы вылечить инфекцию и выявить виновника, вызывающего отключение систем организма., Тем не менее, для определения точного возбудителя, вызывающего инфекцию, могут потребоваться дни с текущими процедурами, которых у неизлечимо больного пациента просто нет. Но надежда может быть на горизонте, поскольку исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) недавно представили диагностический инструмент, позволяющий идентифицировать переносимые кровью бактерии за считанные часы.

В новом методе используются две новые технологии - микрофлюидика (также известная как технология «лаборатория на кристалле») и расплав с высоким разрешением (HRM) - для идентификации бактерий по уникальному отпечатку пальца, зависящему от последовательности ДНК, известному как кривая плавления.

В первом случае исследователи могут видеть всю бактериальную ДНК, присутствующую в образце индивидуально, вместо того, чтобы просто выделить ту, которая, по их мнению, может быть причиной воспаления, что является неэффективным способом борьбы с состоянием, при котором скорость сущность.

"Бактериальная ДНК на всем, а заражение повсюду, поэтому попытки найти те, которые связаны с сепсисом, похожи на общеизвестный поиск иголки в стоге сена ", - отмечает ведущий автор Стефани Фрейли, доцент кафедры биоинженерии в UCSD, назад когда ей была присуждена премия в области карьеры Фонда Берроуза Велкома за разработку инженерных технологий для лечения сепсиса Новое исследование основано на работе Фрэйли в этой области.

Что касается анализа HRM, то, что делает его таким выгодным, это то, что он способен быстро и точно определять генетический состав больших партий образцов. В случае этого исследования исследователи смогли генотипировать 20 000 одновременных реакций только из одного миллилитра крови, которая была инокулирована пищевым микробом Listeria monocytogenes и Streptococcus pneumoniae, бактерией, ответственной за респираторные инфекции и менингит.

Чтобы сделать это, исследователи сначала изолировали всю ДНК от образца крови и поместили ее на цифровой чип, который позволял каждому фрагменту независимо размножаться в своей собственной реакции. Каждая скважина содержала только 20 пиколитров - для сравнения, одна капля дождя обычно содержит сотни тысяч пиколитров - подвиг, который был достигнут благодаря запатентованной смеси химикатов. Что примечательно в эксперименте UCSD, так это то, что анализ HRM обычно проводится после завершения метода молекулярной фотокопии, известного как полимеразная цепная реакция. В этом случае исследователи разработали машинный алгоритм, который позволил им пропустить этот процесс и автоматически провести анализ.

«Анализируя столько реакций одновременно в таком маленьком масштабе, еще никогда не предпринимались попытки», - говорит Фрейли. "Большинство молекулярных тестов рассматривают ДНК в гораздо большем масштабе и ищут только один тип бактерий за раз. Мы анализируем все бактерии в образце. Это гораздо более целостный подход ".

Затем исследователи нагревали чип с амплифицированной ДНК с шагом 0, 2 градуса Цельсия, вызывая его расплавление. То, что происходит дальше, является ключом к пониманию того, что делает анализ HRM такой мощной техникой генотипирования, и почему это может помочь в нашей борьбе с сепсисом.

Когда двойная спираль ДНК тает, связи, скрепляющие нити ДНК, начинают разрушаться, обнажая свою уникальную подпись. Это фиксируется с помощью специального вида флуоресцентного красителя, который связывается с двухцепочечной ДНК, заставляя ее ярко светиться. Когда нити растворяются, флуоресценция становится слабее, поскольку нет ничего, к чему краситель мог бы прилипнуть.

Инженеры зафиксировали кривые плавления бактерий с помощью специально разработанного высокопроизводительного микроскопа, а затем проанализировали их с помощью алгоритма машинного обучения, который ранее был обучен на 37 различных типах бактерий. Конкурса не было: алгоритм превзошел традиционные методы, в которых коэффициент ошибок составляет почти 23 процента, путем идентификации штаммов бактерий с точностью 99 процентов.

Теперь цель Фрэйли и ее команды - вынести этот диагностический инструмент из лаборатории в кабинеты врачей. Хотя другие исследователи пытались решить проблему сепсиса, разрабатывая искусственные селезенки, которые могут очищать кровь, а также бактерицидные покрытия поверхности для медицинских устройств, остается острая необходимость в более эффективных диагностических инструментах.

Двигаясь вперед, исследователи будут работать над уменьшением размера системы, чтобы сделать ее пригодной для использования в клиниках и кабинетах врачей, и расширением возможностей системы по обнаружению патогенов, включая грибки и вирусы, а также гены для устойчивости к антибиотикам. Кроме того, необходимо провести дальнейшие исследования на реальных образцах пациентов.

Фрейли надеется, что система будет доступна для врачей в ближайшие пять лет. "У этого есть потенциал, чтобы охватить людей, находящихся рядом или в местах оказания медицинской помощи ", - говорит она, добавляя, что при правильных корректировках также есть потенциал для ее развертывания в условиях ограниченных ресурсов. "Это простой и инновационный подход. "

Исследование было опубликовано в Nature Scientific Reports.

Источник: UCSD

Стефани Фрэйли (слева) просматривает данные кривой плавления бактериальной ДНК со своими аспирантами (Фото: UCSD)

Рекомендуем Выбор редакции